RU100347U1 - DEVICE FOR SCANNING OBJECTS - Google Patents

DEVICE FOR SCANNING OBJECTS Download PDF

Info

Publication number
RU100347U1
RU100347U1 RU2010125949/28U RU2010125949U RU100347U1 RU 100347 U1 RU100347 U1 RU 100347U1 RU 2010125949/28 U RU2010125949/28 U RU 2010125949/28U RU 2010125949 U RU2010125949 U RU 2010125949U RU 100347 U1 RU100347 U1 RU 100347U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
ccd
layers
layer
light
Prior art date
Application number
RU2010125949/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Олегович Федосеенко
Денис Николаевич Глинский
Original Assignee
Алексей Олегович Федосеенко
Денис Николаевич Глинский
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Олегович Федосеенко, Денис Николаевич Глинский filed Critical Алексей Олегович Федосеенко
Priority to RU2010125949/28U priority Critical patent/RU100347U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU100347U1 publication Critical patent/RU100347U1/en

Links

Abstract

1. Устройство для сканирования объектов, содержащее источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на составляющие спектра и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы, отличающееся тем, что ПЗС матрица включает, по меньшей мере, два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого, относительно их движения, слоя ПЗС матрицы и/или, по меньшей мере, одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому. ! 2. Устройство по п.1, в котором ПЗС матрица имеет, по меньшей мере, две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока. ! 3. Устройство по п.1, в котором каждая упомянутая область слоя ПЗС матрицы выполнена в виде, по меньшей мере, одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов. ! 4. Устройство по п.1, в котором в последнем слое ПЗС матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам. ! 5. Устройство по п.4, дополнительно содержащее аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходными элементами ПЗС матрицы, и соединенное с ним устройство хранения и� 1. A device for scanning objects containing a light source, an optical system for equalizing the amplitude of the light emitted by the source over the spectral range, an optical system for decomposing the light flux into spectrum components and a photosensitive sensor in the form of a CCD matrix, characterized in that the CCD matrix includes, at least two layers of photosensitive elements configured to absorb photons of the light flux by the photosensitive elements of the first, relative to their movement, CCD layer Ritsa and / or at least one of its layers during subsequent breakdown photons previous layers and storage layers of the photosensitive elements of electric charges, wherein the matrix is provided with electrodes for the parallel charge transfer its overflow from one layer to another. ! 2. The device according to claim 1, in which the CCD matrix has at least two regions configured to absorb in each of them a portion of the spectrum of the decomposed light flux. ! 3. The device according to claim 1, in which each of the mentioned region of the CCD layer of the matrix is made in the form of at least one row of active pixels from photosensitive elements. ! 4. The device according to claim 1, in which the output elements are installed in the last layer of the CCD matrix, and the pixels of each row in the last layer are connected by successive charge transfer electrodes to transfer the accumulated charge from all layers in each row to the output elements. ! 5. The device according to claim 4, further comprising an analog-to-digital converter connected to the output elements of the CCD matrix, and a storage device connected to it and

Description

Полезная модель относится к фотоэлектронной технике, а именно к устройствам для сканирования объектов, которые могут быть использованы, в частности: для сканирования любых цветовых носителей информации, как на просвет, так и на отражение (например, кинопленок, фотопленок и т.д.), сканирования любых материальных объектов (как на просвет так и на отражение), в том числе любых небесных тел, а также клеток, частиц, молекул, живых тканей, для дефектоскопии материалов и изделий, для фото-, кино- и видеосъемки, в т.ч. видео наблюдения, для съемки и регистрации голографических объектов, для наблюдения и регистрации степени освещенности материальных объектов и структур на их базе.The utility model relates to photoelectronic technology, and in particular, to devices for scanning objects that can be used, in particular: for scanning any color information carriers, both for transparency and reflection (for example, film, film, etc.) scans of any material objects (both in light and reflection), including any celestial bodies, as well as cells, particles, molecules, living tissues, for flaw detection of materials and products, for photo, film and video shooting, in t .h. observation video for shooting and recording holographic objects, for observing and recording the degree of illumination of material objects and structures based on them.

В общем случае, задачей сканирования является определение спектральных и яркостных характеристик светового потока, соответствующих характеристикам сканируемого объекта.In general, the task of scanning is to determine the spectral and brightness characteristics of the light flux corresponding to the characteristics of the scanned object.

Из уровня техники известно устройство для сканирования объектов (см. EP 1564985 A2, 17.08.2005) содержащее источник света, жидкокристаллическую матрицу для разложения светового потока и формирования полос красного, зеленого и синего света (RGB) и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы.The prior art device for scanning objects (see EP 1564985 A2, 08/17/2005) containing a light source, a liquid crystal matrix for decomposing the light flux and forming bands of red, green and blue light (RGB) and a photosensitive sensor in the form of a CCD.

Недостатком известного устройства является то, что анализ светового потока, несущего в себе информацию о сканируемом объекте, производится только по трем областям спектра (RGB), при этом не учитываются остальные области. Кроме того, ПЗС матрица, используемая в данном устройстве, не обеспечивает «захват» всех фотонов света, попавших на ее поверхность.A disadvantage of the known device is that the analysis of the luminous flux, which carries information about the scanned object, is performed only in three regions of the spectrum (RGB), while the remaining regions are not taken into account. In addition, the CCD matrix used in this device does not provide “capture” of all photons of light that hit its surface.

Задачей заявленной полезной модели является создание устройства для сканирования объекта, позволяющего получить наиболее качественный цифровой образ.The objective of the claimed utility model is to create a device for scanning an object that allows you to get the highest quality digital image.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в возможности определения интенсивности светового потока, прошедшего через сканируемый объект (или отразившегося от него), в любой части спектра в области видимого излучения и прилегающих к ней областям (инфракрасной или ультрафиолетовой), а также в повышении точности этих данных.The technical result of the claimed utility model consists in the possibility of determining the intensity of the light flux passing through the scanned object (or reflected from it) in any part of the spectrum in the field of visible radiation and adjacent areas (infrared or ultraviolet), as well as in improving the accuracy of these data .

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для сканирования объектов содержит источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на спектральные составляющие и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы, включающей по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя ПЗС матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому.The specified technical result is achieved due to the fact that the device for scanning objects contains a light source, an optical system for aligning the amplitude of the light emitted by the source over the spectral range, an optical system for decomposing the light flux into spectral components and a photosensitive sensor in the form of a CCD matrix including at least two layers of photosensitive elements configured to absorb photons of the light flux by photosensitive elements of the first tionary their movement CCD layer and / or at least one of its successive layers in the breakdown by photons previous layers and storage layers of the photosensitive elements of electric charges, wherein the matrix is provided with electrodes for the parallel charge transfer its overflow from one layer to another.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что:In addition, the specified technical result is achieved due to the fact that:

- ПЗС матрица имеет по меньшей мере две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока,- the CCD matrix has at least two regions configured to absorb in each of them a portion of the spectrum of the decomposed light flux,

- каждая область слоя ПЗС матрицы выполнена в виде по меньшей мере одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов,- each region of the CCD layer of the matrix is made in the form of at least one row of active pixels from photosensitive elements,

- в последнем слое ПЗС матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам,- in the last layer of the CCD matrix, output elements are installed, and the pixels of each row in the last layer are connected by electrodes of sequential charge transfer, to transfer the accumulated charge from all layers in each row to the output elements,

- устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходными элементами ПЗС матрицы, и соединенное с ним устройство хранения информации,- the device further comprises an analog-to-digital converter connected to the output elements of the CCD matrix, and an information storage device connected to it,

- устройство дополнительно содержит щелевую маску для фокусировки светового потока, выполненную с возможностью размещения в ее центре объекта сканирования,- the device further comprises a slit mask for focusing the luminous flux, made with the possibility of placing in its center a scan object,

- источник света выполнен в виде светодиодной матрицы с обратной связью,- the light source is made in the form of a LED matrix with feedback,

- в качестве ПЗС матрицы использована TDI матрица.- The TDI matrix is used as the CCD.

Предпочтительный вариант конструкции заявленного устройства для сканирования показан на фиг.1The preferred embodiment of the claimed device for scanning is shown in figure 1

Устройство для сканирования содержит источник света 1 (например, светодиодная матрица с обратной связью), оптическую систему 2 для нормирования светового потока (для выравнивания амплитуды света по спектральному диапазону), щелевую маску 3, оптическую систему 4 (канал, тракт, систему линз призм, щелей и решеток) для разложения светового потока на составляющие спектра, ПЗС матрицу 5, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) 6, соединенный с выходными элементами матрицы и устройство хранения информации 7, соединенное с АЦП 6.The scanning device comprises a light source 1 (for example, a feedback LED array), an optical system 2 for normalizing the light flux (for equalizing the light amplitude over the spectral range), a slit mask 3, an optical system 4 (channel, path, prism lens system, gaps and gratings) for decomposing the light flux into spectrum components, a CCD matrix 5, an ADC (analog-to-digital converter) 6 connected to the output elements of the matrix and an information storage device 7 connected to the ADC 6.

В общем виде ПЗС матрица может представлять собой аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных элементов (фотодиодов), и использующую технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью. Матрица может быть изготовлена из поликремния (или другого материала), отделенного от подложки (например, из кремния), у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. При подаче напряжения на электроды создается потенциальная яма, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пиксела. Таким образом, при сканировании, световой поток, несущий в себе информацию о сканируемом объекте, направляют на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых состоит в преобразовании энергии фотонов в электрический заряд. В общем случае это происходит следующим образом. Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий - он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощен в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьет насквозь» ее «рабочую зону». Фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решетки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей. Однако те фотоны, которые «срикошетили» или «пробили» матрицу насквозь не могут быть учтены при определении интенсивности светового потока. Очевидно, что требуется создать такую матрицу, в которой потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы.In general, a CCD matrix can be an analog integrated circuit consisting of photosensitive elements (photodiodes) and using CCD technology - charge-coupled devices. The matrix can be made of polysilicon (or other material), separated from the substrate (for example, silicon), in which when voltage is applied through polysilicon gates, the electric potentials near the electrodes change. When voltage is applied to the electrodes, a potential well is created in which electrons can accumulate as a result of exposure to light during exposure. The more intense the light flux during exposure, the more electrons accumulate in the potential well, respectively, the higher the total charge of this pixel. Thus, when scanning, the luminous flux, which carries information about the scanned object, is directed to the photosensitive surface of the CCD elements, the task of which is to convert the photon energy into an electric charge. In general, this happens as follows. For a photon that has fallen on a CCD element, there are three options for the development of events - it will either “ricochet” from the surface, or will be absorbed in the bulk of the semiconductor (matrix material), or “will pierce through” its “working zone”. Photons that were absorbed by the matrix form an electron-hole pair if interaction with the atom of the semiconductor crystal lattice occurs, or only an electron (or hole) if the interaction was with atoms of donor or acceptor impurities. However, those photons that “ricocheted” or “pierced” the matrix through and through cannot be taken into account when determining the intensity of the light flux. Obviously, it is necessary to create a matrix in which the losses from the “rebound” and “lumbar sweep” would be minimized.

Эта проблема решается посредством использования многослойной матрицы 5 применяемой в заявленном устройстве. Ее конструкция показана на фиг.2. В отличие от известных аналогов, матрица содержит не один, а по меньшей мере два фоточувствительных слоя 8 активных пикселов 9. При этом каждый из слоев имеет по меньшей мере две области 10, каждая из которых поглощает разложенный световой поток 11 в различных частях светового спектра. Предпочтительно указанные области выполнены в виде одной или нескольких строк. Для переноса электронов от слоя к слою, матрица снабжена электродами 12 параллельного переноса заряда. При этом на последнем слое матрицы пиксели каждой строки (области) матрицы соединены электродами 13 последовательного переноса заряда, для «перетекания» накопленного заряда на всех слоях в каждой из областей к выходным элементам 14 матрицы.This problem is solved by using a multilayer matrix 5 used in the claimed device. Its design is shown in figure 2. Unlike known analogues, the matrix contains not one, but at least two photosensitive layers 8 of active pixels 9. Moreover, each of the layers has at least two regions 10, each of which absorbs the decomposed luminous flux 11 in different parts of the light spectrum. Preferably, these areas are made in the form of one or more lines. For electron transfer from layer to layer, the matrix is equipped with electrodes 12 for parallel charge transfer. At the same time, on the last layer of the matrix, the pixels of each row (region) of the matrix are connected by electrodes 13 for sequential charge transfer, in order to "flow" the accumulated charge on all layers in each region to the output elements 14 of the matrix.

Предпочтительный вариант архитектуры многослойного пиксела 9 в заявленной матрице показан на фиг.3.The preferred architecture of the multilayer pixel 9 in the inventive matrix is shown in figure 3.

Пиксел 9 представляет из себя набор фоточувствительных полупроводниковых элементов 15, размещенных в многослойной подложке 16. Перед первым слоем установлена линза 17 (в случае если используется отраженный свет) и прозрачный электрод 18, который отделен от первого слоя изолятором 19. Каждый слой матрицы имеет зону генерации носителей заряда 20 и зону потенциальной ямы 21 При этом слои отделены друг от друга с помощью прозрачных или полупрозрачных прослоек 22.The pixel 9 is a set of photosensitive semiconductor elements 15 placed in a multilayer substrate 16. A lens 17 is installed in front of the first layer (if reflected light is used) and a transparent electrode 18 is separated from the first layer by an insulator 19. Each matrix layer has a generation zone charge carriers 20 and the zone of the potential well 21 In this case, the layers are separated from each other using transparent or translucent layers 22.

Наиболее предпочтительно использовать в заявленном устройстве TDI матрицу, поскольку она позволит наилучшим образом зарегистрировать весь спектр энергий падающего излучения. При этом каждый слой будет лучше накапливать и передавать энергию взаимодействия между фотонами и электронами, а суммарный заряд этого взаимодействия будет оценен и зафиксирован.It is most preferable to use a TDI matrix in the inventive device, since it will allow to best record the entire spectrum of incident radiation energies. In this case, each layer will better accumulate and transfer the energy of interaction between photons and electrons, and the total charge of this interaction will be estimated and fixed.

Для описания расширения спектрального состава регистрируемого светового излучения обратимся к описанию цветовых пространств, точнее их моделей.To describe the expansion of the spectral composition of the recorded light radiation, we turn to the description of color spaces, more precisely, their models.

1). Пространство RGB (фиг.4): Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий. Цвет разбит на 3 характеристики, выражающие содержание основных цветов. Модель является аддитивной, так как эти компоненты суммируются. Данное цветовое пространство используется при выводе на экран монитора. Это означает что модель аппаратно зависима, на разных мониторах одинаковые цвета будут выглядеть различно. RGB цвет используется с разной точностью: 8-битный RGB дает 256 цветов, 16-битный 65536 (схема 5-6-5), 24-битный 16777216 (8-8-8). В скобках указаны биты на канал.one). RGB space (Fig. 4): Red, Green, Blue - red, green, blue. The color is divided into 3 characteristics expressing the content of the primary colors. The model is additive, since these components are summed. This color space is used when displayed on the monitor screen. This means that the model is hardware dependent, on different monitors the same colors will look different. RGB color is used with different accuracy: 8-bit RGB gives 256 colors, 16-bit 65536 (scheme 5-6-5), 24-bit 16777216 (8-8-8). The brackets indicate the bits per channel.

2) Пространство CMYK (фиг.5): Cyan, Magenta, Yellow, Key - голубой, пурпурный, желтый, ключ (черный). Данный формат используется в принтерах. Позволяет экономить чернила. К сожалению, нельзя создать красок, аналогичных RGB для печати. Все дело в том, что эти цвета работают только “на просвет”, т.е. через пленку-фильтр или люминофор монитора. Цвета словно вырезаются соответствующими фильтрами из сплошного спектра. В печати все происходит с точностью до наоборот, т.е. бумага поглощает весь спектр за исключением того цвета, в который она покрашена. Создать краски, являющиеся абсолютно точно "противоположными" (дополнительными) к цветам RGB, не удается, поэтому приходится вводить четвертую дополнительную краску - черную. Ее задача - усилить поглощение света в темных областях, сделать их максимально черными, т.е. увеличить тоновый диапазон печати. Четырехканальный CMYK весомее RGB и обрабатывается медленнее, занимая больше памяти.2) CMYK space (Fig. 5): Cyan, Magenta, Yellow, Key - cyan, magenta, yellow, key (black). This format is used in printers. Saves ink. Unfortunately, you cannot create inks similar to RGB for printing. The thing is that these colors work only “in the light”, i.e. through a film-filter or phosphor monitor. Colors are as if cut out by appropriate filters from a continuous spectrum. In print, everything happens exactly the opposite, i.e. paper absorbs the entire spectrum except for the color in which it is painted. It is not possible to create paints that are absolutely exactly "opposite" (complementary) to RGB colors, so you have to enter the fourth additional paint - black. Its task is to enhance the absorption of light in dark areas, to make them as black as possible, i.e. increase the tone range of printing. The four-channel CMYK is heavier than RGB and processed more slowly, taking up more memory.

3). Пространство HLS (фиг.6): Hue, Lightness, Space - оттенок, яркость, насыщенность. Довольно распространенный формат, удобен для применения различных эффектов. В отличие от двух предыдущих кубический спектров RGB и CMYK, HLS является коническим. Очень сходны с ней модели HSB (Hue, Space, Brightness) и HSV (Hue, Space, Value), так же конические. Эти модели наиболее близки к восприятию цвета человеком. Кроме того, наиболее удобна для оптических и фотометрических расчетов: оттенок соответсвует длине волны, яркость - количеству света, насыщенность - интенсивности. Так что эта модель будет удобна при работе с источниками света и материалами.3). HLS space (Fig.6): Hue, Lightness, Space - hue, brightness, saturation. A fairly common format, convenient for applying various effects. Unlike the previous two cubic spectra of RGB and CMYK, HLS is conical. The HSB (Hue, Space, Brightness) and HSV (Hue, Space, Value) models, which are also conical, are very similar to it. These patterns are closest to human color perception. In addition, it is most convenient for optical and photometric calculations: the hue corresponds to the wavelength, brightness to the amount of light, saturation to intensity. So this model will be convenient when working with light sources and materials.

4). Пространство CIE XYZ (фиг.7): Нормальная цветовая схема - плоская модель цветопередачи. Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси X координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. Но в этой модели не учитывается яркость. Данная модель аппаратно независима, поддерживает намного больше цветов, чем способны различать современные устройства (сканеры, мониторы, принтеры) CIE XYZ построено на основе зрительных возможностей так называемого “Стандартного Наблюдателя”, то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и зафиксированы в ходе проведенных комитетом CIE длительных исследований человеческого зрения. Комитет CIE провел множество экспериментов с огромным количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия цветов (color matching functions) и универсальное цветовое пространство (universal color space), в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для среднестатистического человека. Функции соответствия цветов - это значения каждой первичной составляющей света, которые должны присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета видимого спектраfour). CIE XYZ space (Fig. 7): Normal color scheme - flat color rendering model. The red color components are elongated along the X axis of the coordinate plane (horizontal), and the green color components are elongated along the Y axis (vertically). With this method of presentation, each color corresponds to a certain point on the coordinate plane. The spectral purity of colors decreases as you move along the coordinate plane to the left. But this model does not take into account brightness. This model is hardware independent, it supports much more colors than modern devices (scanners, monitors, printers can distinguish). CIE XYZ is built on the basis of the visual capabilities of the so-called “Standard Observer”, that is, a hypothetical viewer whose capabilities have been carefully studied and recorded during conducted by the CIE committee of lengthy studies of human vision. The CIE committee conducted many experiments with a huge number of people, asking them to compare different colors, and then using the combined data of these experiments built the so-called color matching functions and the universal color space in which the range was presented visible colors, characteristic of the average person. The color matching functions are the values of each primary light component that must be present so that a person with average vision can perceive all the colors of the visible spectrum

5). Пространство CIE Lab (фиг.8): Усовершенствованная модель XYZ. Конечной целью комитета CIE была разработка повторяемой системы стандартов цветопередачи для производителей красок, чернил, пигментов и других красителей. Самая важная функция этих стандартов - предоставить универсальную схему, в рамках которой можно было бы устанавливать соответствие цветов. В основу этой схемы легли Стандартный Наблюдатель и цветовое пространство XYZ, однако несбалансированная природа пространства XYZ, вызванная тем, что человек различает разницу между оттенками зеленого и желтого гораздо лучше, чем между оттенками красного и пурпурного, сделала эти стандарты трудными для четкой реализации. В результате CIE разработал более однородные цветовые шкалы - CIE Lab и CIE Luv. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE Lab. Хорошо сбалансированная структура цветового пространства Lab основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания красно-зеленого и желто-синего атрибутов можно воспользоваться одними и теми же значениями. Когда цвет представляется в пространстве CIE Lab, величина L обозначает яркость (luminosity), a - величину красно-зеленой составляющей, a b - величину желто-синей составляющей.5). CIE Lab Space (FIG. 8): Enhanced XYZ Model. The ultimate goal of the CIE was to develop a repeatable system of color rendering standards for manufacturers of paints, inks, pigments and other dyes. The most important function of these standards is to provide a universal scheme within which color matching can be established. The basis of this scheme is the Standard Observer and the XYZ color space, however, the unbalanced nature of the XYZ space, due to the fact that a person distinguishes between the shades of green and yellow much better than between the shades of red and purple, made these standards difficult to implement clearly. As a result, CIE developed more uniform color scales - CIE Lab and CIE Luv. Of these two models, the CIE Lab model is more widely used. The well-balanced Lab color space structure is based on the theory that color cannot be both green and red or yellow and blue. Therefore, the same values can be used to describe the red-green and yellow-blue attributes. When color is represented in the CIE Lab space, the L value indicates luminosity, a is the value of the red-green component, and b is the value of the yellow-blue component.

Также существуют и другие цветовых модели (такие как CCY, Luv, модели Манселла и Оствальда) но они используются намного реже.There are also other color models (such as CCY, Luv, Mansell and Ostwald models) but they are used much less frequently.

Как видно из представленных моделей, то наиболее ограниченная и соответственно зависимая модель пространства, это модель пространства RGB, и т.к. все существующие матрицы регистрируют световое излучение именно по этой модели, то яркостная характеристика L, у этих матриц жестко привязана к цветовым характеристикам и любое изменение в яркостном диапазоне, сразу приводит к изменению в цветовом и наоборот.As can be seen from the presented models, the most limited and accordingly dependent space model is the RGB space model, and since Since all existing matrices register light emission precisely according to this model, the luminance characteristic L of these matrices is rigidly tied to color characteristics and any change in the luminance range immediately leads to a change in color and vice versa.

В нашем случае, т.к. яростная характеристика измеряется отдельно от цветовой, и модель цветового диапазона наиболее соответствует представлению модели CIE Lab, диапазон измеренных цветов и их оттенков ограничивается только количеством шагов регистрации цветового спектра, для данного материала и исполнения матрицы. Таким образом достигается принципиально другой уровень точности при обработки цветовой информации и соответственно диапазон измеряемых и регистрируемых цветовых оттенков ограниченный только математическим аппаратом текущего представления модели пространства CIE Lab.In our case, because the fierce characteristic is measured separately from the color, and the color range model most closely matches the CIE Lab model representation, the range of measured colors and their shades is limited only by the number of steps for recording the color spectrum for a given material and matrix execution. Thus, a fundamentally different level of accuracy is achieved when processing color information and, accordingly, the range of measured and recorded color shades is limited only by the mathematical apparatus of the current representation of the CIE Lab space model.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.

Для сканирования в области видимого излучения используют белый свет, а в случае сканирования в прилегающих к видимой областях - инфракрасный или ультрафиолетовый свет. Свет испускается источником света 1 и нормируется при помощи оптической системы 2, на выходе из которой свет представляет собой поток белого света или близкий к нему, у которого амплитуда (яркость) по всему частотному (спектральному) диапазону выровнена. Далее световой поток проходит через щелевую маску 3, где он преобразуется в узкий световой пучок. В центре щелевой маски размещается объект сканирования (например, пленка или пластина), плоскость которого перемещается перпендикулярно плоскости узкого светового потока. Проходя через этот объект сканирования на просвет или отражаясь от него нормированный поток света, изменяет свой спектральный состав и яркостной характер, а именно, приобретает яркостную характеристику (амплитуда) для каждой длинны волны входящий в видимый (400-700 нм) или близкий к нему световой спектр, в соответствии со сканируемой областью объекта и в зависимости от нанесенной на него цветовой маски. Сформированный таким образом световой поток попадает в оптическую систему 4 и проходя через этот оптический канал в части видимого спектра (400-700 нм) или близкого к видимому, дифференцируется (раскладывается, разлетается в пространстве за счет разных углов преломления для разных длин волн) на бесчисленное множество световых волн (спектральных составляющих). В таком виде световой поток попадает на светочувствительную поверхность ПЗС матрицы 5. При этом разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы 5 таким образом, что образуется по крайней мере две области, в каждой из которых поглощается одна из частей разложенного спектра, т.е. поглощается световой поток с определенной длиной волны. Как было упомянуто ранее при попадании фотонов на поверхность матрицы большинство из них вступают во взаимодействие с фоточувствительными элементами, образуя электроны и накапливая их в зоне потенциальной ямы 21. При этом некоторые фотоны могут пройти насквозь один или несколько слоев 8 матрицы, и в этом случае фотоны будут поглощены одним из последующих слоев. Таким образом заряд будет возникать также и на промежуточных слоях матрицы.For scanning in the region of visible radiation, white light is used, and in the case of scanning in the adjacent areas, infrared or ultraviolet light is used. The light is emitted by the light source 1 and normalized using an optical system 2, at the output of which the light is a stream of white light or close to it, whose amplitude (brightness) is aligned over the entire frequency (spectral) range. Further, the luminous flux passes through the slit mask 3, where it is converted into a narrow light beam. A scanning object (for example, a film or a plate) is placed in the center of the slit mask, the plane of which moves perpendicular to the plane of the narrow light flux. Passing through this scanning object to the lumen or reflecting a normalized light flux from it, it changes its spectral composition and brightness character, namely, it acquires a brightness characteristic (amplitude) for each wavelength included in the visible (400-700 nm) or close to it light spectrum, in accordance with the scanned area of the object and depending on the color mask applied to it. The luminous flux thus formed gets into the optical system 4 and, passing through this optical channel in the part of the visible spectrum (400-700 nm) or close to the visible one, differentiates (decomposes, scatters in space due to different refraction angles for different wavelengths) by countless many light waves (spectral components). In this form, the luminous flux enters the photosensitive surface of the CCD of matrix 5. In this case, the decomposed luminous flux is distributed over the surface of the matrix 5 in such a way that at least two regions are formed, in each of which one of the parts of the expanded spectrum is absorbed, i.e. the light flux with a certain wavelength is absorbed. As mentioned earlier, when photons hit the surface of the matrix, most of them interact with photosensitive elements, forming electrons and accumulating them in the zone of potential well 21. Moreover, some photons can pass through one or several layers of the matrix 8, in which case photons will be absorbed by one of the subsequent layers. Thus, a charge will also appear on the intermediate layers of the matrix.

Затем посредством электродов 12 параллельного переноса заряда образованные электроны со всех слоев «перетекают» к последнему (относительно движение светового потока) слою, в котором с помощью электродов 13 последовательного переноса в каждой строке заряд со всех слоев перемещается с выходным элементам 14 матрицы. При этом по суммарному заряду образованному в каждой области матрицы на всех слоях определяют интенсивность (яркостную характеристику) светового излучения, несущего информацию о сканируемом объекте, в каждой части спектра (для каждого диапазона длин волн).Then, by means of electrodes 12 for parallel charge transfer, the formed electrons from all layers “flow” to the last (relative to the movement of the light flux) layer, in which using electrodes 13 of sequential transfer in each row, the charge from all layers moves with the output elements 14 of the matrix. In this case, the total charge formed in each region of the matrix on all layers determines the intensity (luminance characteristic) of the light radiation carrying information about the scanned object in each part of the spectrum (for each wavelength range).

На фиг.9 представлен график характеристической кривой (Х.К.) сенситометрии. На графики по оси Y(абсцисс) откладывается значения чувствительности (или плотности в случае сравнения с кино или фото пленкой), а по оси X (ординат) значения экспозиции или времени при котором происходит, регистрация процесса накопления заряда под воздействием фотонов падающего света. Значение экспозиции измеряется в люксах на секунду и имеет логарифмическую форму для компактности удобства оценки и восприятия конечных значений. Значения т.н. нейтрально-серого стандартного клина, по которому в настоящее время измеряют значения плотности почернения (недодержки) в нижней части Х.К. или побеления (передержки) в верхней части Х.К, позволяют наилучшим образом описать процесс взаимодействия количества падающих фотонов света и их энергий (и соответственно спектрального состава регистрируемого светового потока) на сам процесс регистрации. На рисунке видно, что расширение динамического диапазона достигается в нижней части Х.К. - за счет смещения участка почернения (недодержки) Х.К. в нижнюю часть и регистрации практически всех фотонов (это происходит за счет конструкции самого первого, и самого чувствительного слоя матрицы, описанной выше), практически на порядок, а в верхней части Х.К. за счет регулировки границы побеления (передержки) т.е. плавного смещения области регистрации или реакции на поток падающих фотонов и ограничения этого потока в верхней части Х.К. (это происходит грубо - за счет подбора материала фоточувствительного слоя, количества примесей в материале, т.е изменения количества носителей заряда, а также изменения размера и толщины, как самих слоев, так и регистрирующих свет областей матрицы, а более точная регулировка и настройка осуществляется путем смещения величины потенциала прикладываемого к электроду слоя и соответственно смещению зоны реакции потенциальной ямы в сторону больших или меньших значений). В области «белого» все пикселы обычной матрицы будут засвечены и определить, например, 100001 фотон из 100000 будет проблематично. В области «черного», наоборот, для определения одиночных фотонов требуется пикселы с высокой чувствительностью и требуется различать, например, 3 от 4 упавших фотона. Используя многослойную матрицу можно варьировать съем информации с каждого слоя и использовать, например первый слой как слой, пропускающий практически все фотоны, и являющийся слоем корректировки ошибок. Или наоборот использовать его как высокочувствительный слой. Также можно изменять чувствительность слоев относительно друг друга, создавая, например логарифмическое распределение чувствительности по слоям. Таким образом, возможно расширить яркостной диапазон, в котором работает заявленная матрица. Существующие матрицы работают, как правило, только в зоне L или Lmax.Figure 9 presents a graph of the characteristic curve (HK) sensitometry. Sensitivity (or density in the case of comparison with film or photo film) is plotted on the graphs along the Y-axis (abscissa), and the exposure or time at which occurs on the X-axis (ordinates), the process of charge accumulation under the influence of incident photons is recorded. The exposure value is measured in lux per second and has a logarithmic form for compactness of convenience of assessment and perception of final values. The values of the so-called a neutral gray standard wedge, according to which the density of blackening (underexposure) in the lower part of Kh.K. is currently measured or whitening (overexposure) in the upper part of HK, allow us to best describe the process of interaction of the number of incident light photons and their energies (and, accordingly, the spectral composition of the recorded light flux) on the registration process itself. The figure shows that the expansion of the dynamic range is achieved in the lower part of H.K. - due to the shift in the area of blackening (underexposure) Kh.K. to the lower part and registration of almost all photons (this happens due to the construction of the very first and most sensitive layer of the matrix described above), by almost an order of magnitude, and in the upper part of Kh. by adjusting the border of whitening (overexposure) i.e. smooth bias of the registration region or reaction to the incident photon flux and the limitations of this flux in the upper part of Kh.K. (this happens roughly - due to the selection of the photosensitive layer material, the amount of impurities in the material, i.e., changes in the number of charge carriers, as well as changes in the size and thickness of both the layers themselves and the light-recording regions of the matrix, and more precise adjustment and adjustment is carried out by shifting the magnitude of the potential applied to the electrode layer and, accordingly, shifting the reaction zone of the potential well towards larger or smaller values). In the “white” region, all the pixels of a conventional matrix will be illuminated and it will be problematic to determine, for example, 10,0001 photons out of 100,000. In the black region, on the contrary, to determine single photons, pixels with high sensitivity are required and it is necessary to distinguish, for example, 3 from 4 fallen photons. Using a multilayer matrix, it is possible to vary the information retrieval from each layer and use, for example, the first layer as a layer that transmits almost all photons and is a layer of error correction. Or vice versa, use it as a highly sensitive layer. You can also change the sensitivity of the layers relative to each other, creating, for example, a logarithmic distribution of sensitivity between the layers. Thus, it is possible to expand the brightness range in which the claimed matrix operates. Existing matrices work, as a rule, only in the L or Lmax zone.

Таким образом, за счет использования оптической системы для предварительного разложения светового потока на спектральные составляющие, заявленное устройство позволяет определять интенсивность светового потока, несущего информацию о сканируемом объекте, в любой части спектра. При этом использование матрицы, имеющей множество слоев, позволяет наиболее точно определить эту интенсивность, за счет максимального поглощения слоями матрицы фотонов света.Thus, through the use of an optical system for preliminary decomposition of the light flux into spectral components, the claimed device allows you to determine the intensity of the light flux carrying information about the scanned object in any part of the spectrum. Moreover, the use of a matrix having many layers makes it possible to determine this intensity most accurately due to the maximum absorption of light photons by the matrix layers.

Заявленное устройство позволяет получать более качественный цифровой образ за счет:The claimed device allows you to get a better digital image due to:

1) увеличения различимости градаций серого (до 10 раз) при той же мощности или освещенности объекта, либо получить то же качество различимости при освещенности меньшей освещенности, чем известными способами. Динамический яркостной коэффициент различимости D (соотношения самого светлого участка к самому темному) с применением заявленного способа - D=4, а различимость 10000, с применением аналогичных способов - D=3, различимость 1000.1) increase the distinguishability of the gradations of gray (up to 10 times) at the same power or illumination of the object, or get the same quality of distinguishability with illumination of lower illumination than by known methods. The dynamic luminance coefficient of distinguishability D (the ratio of the lightest to the darkest) using the claimed method is D = 4, and the distinguishability is 10000, using similar methods - D = 3, the distinguishability is 1000.

2) Значительного увеличения различимости количества цветовых оттенков (до 16.000.000 раз) по сравнению с существующими сегодня технологиями. С применением существующих способов различимость спектра 2 в 24 степени (линейная система). С применением заявленного способа различимость спектра 2 в 48 степени (логарифмическая система).2) A significant increase in the distinguishability of the number of color shades (up to 16,000,000 times) compared with existing technologies. Using existing methods, the distinguishability of spectrum 2 to 24 degrees (linear system). Using the proposed method, the distinguishability of spectrum 2 to 48 degrees (logarithmic system).

Описанная конструкция может быть реализована, в частности, в следующих устройствах: киносканеры, кинокамеры, телекамеры, видеокамеры, фотокамеры, цифровой камеры наблюдения, движения, ночного видения и др., цифровые бинокли, подзорные трубы, телескопы, электронные микроскопы, дефектоскопы, копиры, парктроники, медицинские зонды, устройства для «искусственного зрения», устройства ручного ввода, геодезические устройства регистрации, метеорологические устройства регистрации, устройства для астрономической съемки и аэрофотосъемки, стерео и 3D сканеры, сканеры документооборота, устройства обратной связи, в системах регистрации объектов, устройства для наблюдения и регистрации освещенности объектов материальной структуры.The described construction can be implemented, in particular, in the following devices: cinema scanners, movie cameras, television cameras, video cameras, cameras, digital surveillance cameras, motion cameras, night vision cameras, etc., digital binoculars, telescopes, telescopes, electron microscopes, flaw detectors, copiers, parking sensors, medical probes, devices for “artificial vision”, manual input devices, geodetic recording devices, meteorological recording devices, devices for astronomical and aerial photography, stereo and 3D scanners, workflow scanners, feedback devices, in object registration systems, devices for monitoring and recording illumination of objects of material structure.

Следует отметить, что раскрытая в описании конструкция устройства для сканирования является предпочтительным вариантом реализации заявленной полезной модели, но не ограничивающим приведенную в заявке совокупность существенных признаков. При этом вся указанная совокупность направлена на достижение упомянутого технического результата.It should be noted that the design of the scanning device disclosed in the description is the preferred embodiment of the claimed utility model, but not limiting the set of essential features provided in the application. Moreover, all of the specified set is aimed at achieving the aforementioned technical result.

Claims (8)

1. Устройство для сканирования объектов, содержащее источник света, оптическую систему для выравнивания амплитуды света, испускаемого источником, по спектральному диапазону, оптическую систему для разложения светового потока на составляющие спектра и светочувствительный датчик в виде ПЗС матрицы, отличающееся тем, что ПЗС матрица включает, по меньшей мере, два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого, относительно их движения, слоя ПЗС матрицы и/или, по меньшей мере, одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому.1. A device for scanning objects containing a light source, an optical system for equalizing the amplitude of the light emitted by the source over the spectral range, an optical system for decomposing the light flux into spectrum components and a photosensitive sensor in the form of a CCD matrix, characterized in that the CCD matrix includes, at least two layers of photosensitive elements configured to absorb photons of the light flux by the photosensitive elements of the first, relative to their movement, CCD layer Ritsa and / or at least one of its layers during subsequent breakdown photons previous layers and storage layers of the photosensitive elements of electric charges, wherein the matrix is provided with electrodes for the parallel charge transfer its overflow from one layer to another. 2. Устройство по п.1, в котором ПЗС матрица имеет, по меньшей мере, две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока.2. The device according to claim 1, in which the CCD matrix has at least two regions configured to absorb in each of them a portion of the spectrum of the decomposed light flux. 3. Устройство по п.1, в котором каждая упомянутая область слоя ПЗС матрицы выполнена в виде, по меньшей мере, одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов.3. The device according to claim 1, in which each of the mentioned region of the CCD layer of the matrix is made in the form of at least one row of active pixels from photosensitive elements. 4. Устройство по п.1, в котором в последнем слое ПЗС матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам.4. The device according to claim 1, in which the output elements are installed in the last layer of the CCD matrix, and the pixels of each row in the last layer are connected by successive charge transfer electrodes to transfer the accumulated charge from all layers in each row to the output elements. 5. Устройство по п.4, дополнительно содержащее аналого-цифровой преобразователь, соединенный с выходными элементами ПЗС матрицы, и соединенное с ним устройство хранения информации.5. The device according to claim 4, additionally containing an analog-to-digital converter connected to the output elements of the CCD matrix, and an information storage device connected to it. 6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее щелевую маску для фокусировки светового потока, выполненную с возможностью размещения в ее центре объекта сканирования.6. The device according to claim 1, additionally containing a slit mask for focusing the light flux, made with the possibility of placing in its center a scan object. 7. Устройство по п.1, в котором источник света выполнен в виде светодиодной матрицы с обратной связью.7. The device according to claim 1, in which the light source is made in the form of a feedback LED matrix. 8. Устройство по п.1, в котором в качестве ПЗС матрицы использована TDI матрица.
Figure 00000001
8. The device according to claim 1, in which the TDI matrix is used as the CCD matrix.
Figure 00000001
RU2010125949/28U 2010-06-25 2010-06-25 DEVICE FOR SCANNING OBJECTS RU100347U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010125949/28U RU100347U1 (en) 2010-06-25 2010-06-25 DEVICE FOR SCANNING OBJECTS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010125949/28U RU100347U1 (en) 2010-06-25 2010-06-25 DEVICE FOR SCANNING OBJECTS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU100347U1 true RU100347U1 (en) 2010-12-10

Family

ID=46307041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010125949/28U RU100347U1 (en) 2010-06-25 2010-06-25 DEVICE FOR SCANNING OBJECTS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU100347U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019013801A1 (en) * 2017-07-13 2019-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Recording medium identification

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019013801A1 (en) * 2017-07-13 2019-01-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Recording medium identification
US11034170B2 (en) 2017-07-13 2021-06-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Recording medium identification

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5285824B2 (en) Digital camera calibration method
US7884968B2 (en) System for capturing graphical images using hyperspectral illumination
KR20000034775A (en) Luminance-priority color sensor
US7616314B2 (en) Methods and apparatuses for determining a color calibration for different spectral light inputs in an imaging apparatus measurement
JP2011050049A (en) Image capturing apparatus and image capturing method
US10212401B2 (en) Image generation device and imaging device
JP2009265618A (en) Agile spectrum imaging apparatus and method
WO2016158128A1 (en) Light detecting device and imaging device
Mairinger UV-, IR-and X-ray imaging
RU2308116C1 (en) Image converter and method for video image generation
JP2015173451A (en) Image capturing apparatus and image capturing method
Zhbanova FEATURES OF DIGITAL COLOURIMETRY APPLICATION IN MODERN SCIENTIFIC RESEARCH.
US9432642B2 (en) Imaging system and method having extended depth of field
RU100347U1 (en) DEVICE FOR SCANNING OBJECTS
JP2019041204A (en) Reference image data generation method, printed matter inspection method, and reference image data generation system
Haneishi et al. Image acquisition technique for high dynamic range scenes using a multiband camera
RU2431906C1 (en) Method of picking up optical signal, device for realising said method and object scanning method
US10553244B2 (en) Systems and methods of increasing light detection in color imaging sensors
JP3901884B2 (en) Image processing method and apparatus
Lemonier et al. Low light level TV imaging by intensified CCDs
Shrestha Multispectral imaging: Fast acquisition, capability extension, and quality evaluation
Ji et al. Spectral color characterization of digital cameras: a review
JP2004080605A (en) Imaging unit
TWI581638B (en) Image photographing apparatus and image photographing method
Florin Conversion from a spectral image to HDR image

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20120626